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Organofullerene Self-assembly for Electron Microscopy and Tomography

関根, 良輔 東京大学 DOI:10.15083/0002006700

2023.03.24

概要

1

論文審査の結果の要旨
氏名

関根

良輔

本論文は六章から構成されており,有機フラーレン分子から調製したアモルファス質の
球状分子集合体および超薄膜の開発と,それらの電子顕微鏡観察におけるナノ構造体やタ
ンパク質など観察対象物の試料調製法への応用について論じている.
第一章では,電子顕微鏡観察における試料調製法の重要性とフラーレン分子集合体の特
徴について述べている.研究の背景として,分子集合体分野で研究されているゲスト分子
の位置制御,試料表面の保護や界面の安定化などの機能などが試料調製法に有用であるこ
と,また高真空かつ電子線照射下での安定性が求められており,それを両立した材料開発
の重要性について説明することで,本研究の着想経緯と目的を明らかにしている.
第二章では,電子線トモグラフィーを用いたナノ材料の構造解析のための試料調製法に
ついて述べている.本章では有機フラーレン分子から調製した球状の分子集合体を支持材
料として応用することで,傾斜観察において一定のコントラストで対象試料の画像を収集
することに成功した.本手法は水中での中性フラーレン分子とそのカリウム塩間での平衡
状態を利用することにより,観察対象であるナノ粒子分散液と有機フラーレン分子を混合
するのみというシンプルな手法で,無機ナノ粒子からウイルスを含む生体分子まで様々な
試料の分析に適用可能である.このように多成分系ナノ材料を調製するという観点でも,
既存の乳化重合法など比べて簡便かつ基質適応性が広く,非常に興味深い.
第三章では,自立性の自己組織化二重膜の調製とその構造評価について述べている.従
来の脂質二重膜が vdW 相互作用と疎水性効果で構成されているのに対し,カルボキシル基
置換フラーレン分子を用いて水素結合を駆動力とした堅牢な二重膜構造を設計することで,
自立型超薄膜の調製を実現した.得られた超薄膜は,X 線反射法等の手法により,目的と
する二重膜構造であることを同定している.この緻密に制御できる膜厚と膜構造を持つ自
立型超薄膜はその化学的機能性と相まって,電子顕微鏡観察における新規な基板としての
有用性が本章では示されている.
第四章では,クライオ電子顕微鏡法におけるタンパク質の単粒子解析のための支持膜と

2

してフラーレン超薄膜を応用した研究について述べている.フラーレン超薄膜は,観察対
象のタンパク質をバッファー中から積極的に超薄膜表面に吸着する機能を持つため,単粒
子解析に適用できるタンパク質溶液の濃度範囲を広げることができる.また,この超薄膜
表面に様々な官能基を導入して機能化することでタンパク質の配向を制御でき,その三次
元構造を再構築するのに有用である.このような多様な機能性に加え,その調製や膜厚制
御が容易であることから,クライオ電子顕微鏡法における支持膜応用の障壁を下げ,その
発展に寄与することが期待される.
第五章では,フラーレン超薄膜を利用した原油中のアスファルテンと呼ばれる極性高沸
点成分のトルエン中でのナノ会合体の単離と観察を行った成果について述べている.フラ
ーレン超薄膜の表面構造はナノサイズの試料を溶液中から効率的に取り出すことに適し,
その軽い材料密度とアモルファス性により軽元素のみで構成されたアスファルテンの一次
凝集体構造を捉えることができた.また,透過電子顕微鏡観察などにより詳細構造は芳香
環が融合した分子の積層構造であると同定している.本研究はアスファルテン中における
一次凝集体の構造解析を初めて行なった例であり,石油化学において興味深い結果である.
第六章では,本研究の総括と展望が述べられている.高真空かつ電子線照射に安定な有
機フラーレン分子を用いて,電子顕微鏡観察における試料調製法に対する分子集合体の有
用性を示した.具体例として,電子トモグラフィーに適した観察試料を包埋・固定できる
球状分子集合体や,バッファー中のタンパク質の密度や配向制御を行なったり,原油中の
凝集成分を効率的に取り出したりできる超薄膜状の分子集合体を示し,分子集合体応用の
実用化の指針を示したことがまとめられている.
なお,本論文における各章の研究は中村栄一博士及び原野幸治博士,ラバト・プリンス
博士,亀井恒氏,吉川雅英博士,柳澤春明博士,田中求博士,山本暁久博士,田中隆三博
士,森本正人博士,内田光氏,劉超氏との共同研究によるものであるが,研究計画および
検討の主体は論文提出者であり,論文提出者の寄与が十分であると認められる.
本論文は,分子集合体の化学と電子顕微鏡法をつなぐ異分野融合研究として興味深いも
のである.また,これらの研究結果はナノ材料科学,構造生物学や石油化学工業など幅広
い研究領域で重要な指針を与えるものであり社会的にも意義あるものであると考えられる.
したがって,本論文は博士(理学)の学位論文として価値のあるものと認める.

この論文で使われている画像

参考文献

1) Chaundhuri, R. G.; Paria, S. Core/Shell Nanoparticles: Classes, Properties, Synthesis

Mechanisms, Characterization, and Applications. Chem. Rev. 2012, 112, 2373–2433.

2) Ramli, R. A.; Laftah, W. A.; Hashim, S. Core–shell polymers: a review. RSC Adv. 2013,

3, 15543–15565.

3) Yang, P.; Murase, N.; Suzuki, M.; Hosokawa, C.; Kawasaki, K.; Kato, T.; Taguchi, T.

Bright, non-blinking, and less-cytotoxic SiO2 beads with multiple CdSe/ZnS

nanocrystals. Chem. Commun. 2010, 46, 4595–4597.

4) Chen, Z.; Cui, Z.; Niu, F.; Jiang, L.; Song, W. Pdnanoparticles in silica hollow spheres

with mesoporous walls: a nanoreactor with extremely high activity. Chem. Commun.

2010, 46, 6524–6526.

5) Kochuveedu, S.; Son, T.; Lee, Y.; Lee, M.; Kim, D.; Kim, D. H. Revolutionizing the

FRET-Based Light Emission in Core-Shell Nanostructures via Comprehensive

Activity of Surface Plasmons. Sci Rep 2014, 4, 4735.

6) Pan, M.; Sun, Y.; Zheng, J. Boronic Acid-Functionalized Core−Shell−Shell Magnetic

Composite Microspheres for the Selective Enrichment of Glycoprotein ACS Appl.

Mater. Interfaces. 2013, 5, 8351-8358.

7) Morikawa, M.; Murata, K.; Yamada, K.; Kimizuka, N. Controlled Formation of

Microspheres from Ferrocene-derivatized Amino Acids in Binary Aqueous/Organic

Media. Chem. Lett. 2013, 42, 501–503.

8) Homma, T.; Harano, K.; Isobe, H.; Nakamura, E. Preparation and Properties of Vesicles

Made of Nonpolar/Polar/Nonpolar Fullerene Amphiphiles. J. Am. Chem. Soc. 2011,

133, 6364-6370.

9) Hamasaki, R.; Matsuo, Y.; Nakamura, E. Synthesis of Functionalized Fullerene by

Mono-alkylation of Fullerene Cyclopentadienide. Chem. Lett. 2004, 33, 328.

10 ) Homma, T.; Harano, K.; Isobe, H.; Nakamura, E. Nanometer-Sized Fluorous

Fullerene Vesicles in Water and on Solid Surfaces. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49,

1665-1668.

11) Bairi, P.; Minami, K.; Hill, J. P.; Nakanishi, W.; Shrestha, L. K.; Liu, C.; Harano, K.;

Nakamura, E.; Ariga, K. Supramolecular Differentiation for Constructing Anisotropic

Fullerene Nanostructures by Time-Programmed Control of Interfacial Growth. ACS

Nano 2016, 10, 8796-8802.

12) Harano, K.; Minami, K.; Noiri, E.; Okamoto, K.; Nakamura, E. Protein-Coated

Nanocapsules via Multilevel Surface Modification. Controlled Preparation and

Microscopic Analysis at Nanometer Resolution. Chem. Commun. 2013, 49, 3525-3527.

13) Harano, K.; Gorgoll, R. M.; Nakamura, E. Binding of Aromatic Molecules in the

Fullerene-Rich Interior of a Fullerene Bilayer Vesicle in Water. Chem. Commun. 2013,

49, 7629-7631.

47

Chapter 2

14) Harano, K.; Yamada, J; Mizuno, S.; Nakamura, E. High-Density Display of Protein

Ligands on Self-Assembled Capsules via Noncovalent Fluorous Interactions. Chem.

Asian J. 2015, 10, 172-176.

15) Bragg, A. E.; Kanu, G. U.; Schwartz, B. J. Nanometer-Scale Phase Separation and

Preferential Solvation in THF–Water Mixtures: Ultrafast Electron Hydration and

Recombination Dynamics Following CTTS Excitation of I–. J. Phys. Chem. Lett. 2011,

2, 2797–2804.

16) Tabata, M.; Kumamoto, M.; Nishimoto, J. Chemical Properties of Water-Miscible

Solvents Separated by Salting-out and Their Application to Solvent Extraction. Anal.

Sci. 1994, 10, 383–388.

17) Przybilla, T.; Zubiri, B. A.; Beltran, A. M.; Butz, B.; Machoke, A. G. F.; Inayat, A.;

Distaso, M.; Peukert, W.; Schwieger, W.; Spiecker, E. Transfer of Individual Microand Nanoparticles for High-Precision 3D Analysis Using 360° Electron Tomography.

Small Methods 2018, 2, 1700276.

18) Grünewald, K.; Medalia, O.; Gross, A.; Steven, A. C.; Baumeister, W. Prospects of

electron cryotomography to visualize macromolecular complexes inside cellular

compartments: implications of crowding. Biophys. Chem. 2002, 100, 577–591.

19) Tian, Y.; Wang, T.; Liu, W.; Xin, H. L.; Li, H.; Ke, Y.; Shih, W. M.; Gang, O.

Prescribed nanoparticle cluster architectures and low-dimensional arrays built using

octahedral DNA origami frames. Nat. Nanotechnol. 2015, 10, 637–644.

20) Hayashida, M.; Malac, M. Practical electron tomography guide: Recent progress and

future opportunities. Micron. 2016, 91, 49-74.

21) Jian, N.; Dowle, M.; Horniblow, R. D.; Tselepis, C.; Palmer, R. E. Morphology of the

ferritin iron core by aberration corrected scanning transmission electron microscopy.

Nanotechnology, 2016, 27, 46LT02

22) Earnshaw, W. C.; Hendrix, R. W.; King, J. Structural Studies of Bacteriophage

Lambda Heads and Proheads by Small Angle X-ray Diffraction. J. Mol. Biol. 1979,

134, 575–594.

23) Lander, G. C.; Evilevitch, A.; Jeembaeva, M.; Potter, C. S.; Carragher, B.; Johnson,

J. E. Bacteriophage Lambda Stabilization by AuxiliaryProtein gpD: Timing, Location,

and Mechanism ofAttachment Determined by Cryo-EM. Structure 2008, 16, 13991406.

24) Pettersen, E. F.; Goddard, T. D.; Huang, C. C.; Meng, E. C.; Couch, G. S.; Croll, T.

I.; Morris, J. H.; Ferrin, T. E. UCSF ChimeraX: Structure visualization for researchers,

educators, and developers. Protein Science 2021, 30, 70–82.

25) Dale J. W.; Greenaway P. J. Preparation and Assay of Phage Lambda.; Walker J. M.,

Eds.; Nucleic Acids. Methods in Molecular Biology, 1984, 2, 201–209.

26) Schindelin, J.; Arganda-Carreras, I.; Frise, E., Fiji: an open-source platform for

biological-image analysis, Nat. Methods 2012, 9, 676-682.

48

Chapter 3.

第 3 章 本章については,5 年以内に特許申請するため,非公開.

Chapter 6

50

Chapter 6

Chapter 4.

第 4 章 本章については,5 年以内に特許申請するため,非公開.

51

Chapter 6

52

Chapter 6

Chapter 5.

第 5 章 本章については,5 年以内に特許申請するため,非公開.

53

Chapter 6

54

Chapter 6

Chapter 6.

Conclusion and Perspectives

55

Chapter 6

56

Chapter 6

In the present study, I have demonstrated the application of supramolecular

chemistry to the development of sample preparation methods in electron microscopy. I

have prepared amorphous nano/microspheres and ultrathin films through self-assembly

of organofullerene molecules modified their chemical properties by the introduction of

various substituents. Since these materials are robust under atmospheric pressure and

even under high vacuum, they were useful as supporting materials of EM research to

modify the specimen location by the morphology of the supporting materials and protect

the specimen structure from outer environments.

In chapter 2, the sample preparation method for structural analysis of

nanomaterials with ET was described. While ET is a powerful method to reconstruct 3D

data of target nanomaterials without averaging the numerous numbers of specimens and

be suitable for capturing the inherent structure, image acquisition processes at various tilt

angles in its procedure often suffer from decreasing the specimen contrast due to the

increase of optical thickness of supporting materials. To tackle the issue, I presented the

application of spherical supporting materials prepared from the molecular assembly of

organofullerenes and succeeded to collect specimen images in constant contrast.

The method is simple that only requires the mixing of nanoparticle dispersions

and organofullerene solutions in THF or DMF to prepare multiple-component

nanospheres, therefore it is applicable for analysis of various specimens from inorganic

nanoparticles to biomolecules including the virus. The key idea is an introduction of a

rate control mechanism of nucleation and growth steps of molecular assembly. In this

research, an equilibrium between neutral fullerene (CnH) and its potassium salt (CnK)

in water was utilized and enable the formation of fullerene assemblies incorporating

specimens from water/buffer. The developed system is expected to put a 360º tomography

of various intended specimens into practice.

57

Chapter 6

K+

R R

Slow addition

of excess H2O

pKa < 13

CnK

(soluble in THF,

DMF and water)

R R

+ KOH

CnH

(Insoluble in aqueous

mixed solvents)

nanoparticles or

biological materials in buffer

Figure 6.1. Preparation of self-assembled core-shell particles by utilizing an equilibrium of

organofullerenes in water and structural analysis of incorporated specimens with ET.

The author anticipates that further chemical derivatization of organofullerenes and

development of the hierarchical molecular assembly systems based on this work would

contribute the structural analyses of wider specimens in EM research. Besides, some

concepts of supra molecular chemistry described in this thesis would be applicable

beyond the organofullerene skeleton, and the present study is expected to become a

milestone of opening the new application field of molecular assembly systems.

58

...

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